Eine Elektronenröhre ist ein aktives elektrisches Bauelement mit Elektroden, die sich in einem evakuierten oder gasgefüllten Kolben aus Glas, Stahl oder Keramik befinden. Die Anschlüsse der Elektroden sind aus dem Röhrenkolben nach außen geführt. In ihrer einfachsten Form als Diode enthält eine Elektronenröhre eine beheizte Kathode (Glühkathode) und eine Anode. Elektronenröhren dienen zur Erzeugung, Gleichrichtung, Verstärkung oder Modulation elektrischer Signale.
Aus der Glühkathode treten negativ geladene Elementarteilchen als freie Elektronen aus und werden durch die Wirkung eines elektrischen Feldes zur Anode bewegt. Dieser Elektronenstrom lässt sich durch ein Steuergitter zwischen Kathode und Anode beeinflussen, denn durch unterschiedliche Gitterspannungen bzw. elektrische Felder wird der Elektronenfluss stärker oder geringer gehemmt. Darauf beruht die Verwendung der Elektronenröhre als Verstärker oder Oszillator.
Elektronenröhren waren bis zur Einführung des Transistors die einzigen schnellen aktiven (steuerbaren) Bauelemente der Elektronik. Bis dahin standen als aktives Zweitor lediglich Transduktoren und Relais zur Verfügung, wobei Letztere nur zwei Zustände (ein/aus) kannten und ihre Schaltgeschwindigkeit durch die bewegte Masse begrenzt war. Elektronen weisen eine weitaus geringere Masse auf, daher können mit ihrer Hilfe weitaus höhere Frequenzen verarbeitet werden.
Je nach Röhrentyp kann ein Gas niedrigen Drucks enthalten sein, das eine zusätzliche Ionenleitung bewirkt und die Wirkung der Raumladung kompensiert.
Auch heute sind auf vielen Gebieten noch Röhren im Einsatz. Starke Sendeanlagen werden mit Elektronenröhren betrieben, Magnetrons werden in Radaranlagen und Mikrowellenherden eingesetzt. Ältere Fernsehgeräte und Computermonitore verwenden Kathodenstrahlröhren. Als Audioverstärker werden im High-End-Bereich ebenfalls noch Röhrenverstärker verwendet. Auch viele E-Gitarristen und -Bassisten schätzen den charakteristischen Klang eines Röhrenverstärkers. Fluoreszenzanzeigen dienen zur optischen Signalisierung von Gerätezuständen von Geräten wie CD-Spielern, Videorekordern und so weiter, werden aber immer mehr durch Flüssigkristallanzeigen und organische Leuchtdioden verdrängt.
Etliche Röhrentypen mit entsprechender Nachfrage werden noch heute vorwiegend in Russland und China produziert. Einige sind auch noch aus alten (militärischen) Ersatzteilbeständen (New Old Stock) verfügbar.
Prinzipdarstellung eines Kondensators mit Dielektrikum
Ein Kondensator (von lateinisch condensare ‚verdichten‘) ist ein passives elektrisches Bauelement mit der Fähigkeit, in einem Gleichstromkreis elektrische Ladung und die damit zusammenhängende Energie statisch in einem elektrischen Feld zu speichern. Die gespeicherte Energie wird als elektrische Kapazität bezeichnet und in der Einheit Farad gemessen. In einem Wechselstromkreis wirkt ein Kondensator als Wechselstromwiderstand mit einem frequenzabhängigen Impedanzwert.
Kondensatoren bestehen im Prinzip aus zwei elektrisch leitfähigen Flächen, den Elektroden, die von einem isolierenden Material, dem Dielektrikum, voneinander getrennt sind. Die Größe der Kapazität wird durch die Größe der Elektroden, das Material des Dielektrikums und den Kehrwert des Abstandes der Elektroden zueinander bestimmt. Die Elektroden und das Dielektrikum können aufgerollt oder parallel geschaltet als Stapel angeordnet sein. Industriell hergestellte Kondensatoren werden mit Kapazitätswerten von etwa 1 Picofarad (10−12 F) bis zu etwa 1 Farad, bei Superkondensatoren sogar bis zu 10.000 Farad geliefert.
Die mit großem Abstand am meisten produzierten Kondensatoren sind integrierte Speicherkondensatoren in digitalen Speicherschaltungen. Die wichtigsten Kondensatorarten sind Keramikkondensatoren, Kunststoff-Folienkondensatoren, Aluminium- und Tantal- Elektrolytkondensatoren und, obwohl sie auf völlig andere Speicherprinzipien beruhen, die Superkondensatoren. Neben diesen Kondensatoren mit festen Kapazitätswerten gibt es Kondensatoren mit einstellbaren Kapazitätswerten, die variablen Kondensatoren.
Kondensatoren werden in vielen elektrischen Anlagen und in nahezu allen elektrischen und elektronischen Geräten eingesetzt. Sie realisieren beispielsweise elektrische Energiespeicher als Zwischenkreiskondensatoren in Frequenzumrichtern, als Speicherkondensator in Sample-and-Hold-Schaltungen oder als Photo-Flash-Kondensatoren in Blitzlichtgeräten. Sie koppeln Signale in Frequenzweichen von Audiogeräten und bilden als hochstabile Klasse-1-Kondensatoren zusammen mit Spulen Filter und Schwingkreise. Als Glättungskondensatoren in Netzteilen und Stützkondensatoren in Digitalschaltungen sind sie im Bereich der Stromversorgung zu finden. Sie unterdrücken als Entstörkondensatoren elektromagnetische Störsignale und bewirken als Leistungskondensatoren eine erwünschte Phasenkompensation. Spezielle Bauformen von Kondensatoren werden als Sensor verwendet.
Unerwünschte kapazitive Störeinkopplungen aus elektrischen Feldern benachbarter Bauteile in Schaltungen und parasitäre Kapazitäten, sogenannte Streukapazitäten, gehören nicht zu den Kondensatoren. Ebenfalls nicht zu den Kondensatoren gehören Kapazitätsdioden sowie eine Reihe von Aktoren wie piezoelektrische Wandler, elektrostatische Lautsprecher, Ablenkplatten und Bauelemente der Elektrooptik.
Historischer Röhren-Superhet der Firma Elektrit in Vilnius 1936.
Der Überlagerungsempfänger (auch Superheterodynempfänger bzw. kurz Superhet, Super) ist eine elektronische Schaltung zum Empfang und zur Verarbeitung von hochfrequenten elektromagnetischen Funksignalen. Kennzeichnend ist die Herabsetzung der Eingangsfrequenz auf eine konstante, erheblich geringere Zwischenfrequenz vor der eigentlichen Demodulation, weil sich tiefere Frequenzen einfacher filtern und verstärken lassen. Eingesetzt wird er in vielen Geräten der Funkübertragung, der Telekommunikation und der HF-Messtechnik, vom einfachen Radio und Fernsehen bis hin zum GPS.
Der Ausdruck „Überlagerung“ ist eine mathematische Bezeichnung nach den Additionstheoremen der Schwingungslehre. „Überlagerung“ ist ein Synonym für Superposition. Dieses Prinzip wird bei Problemen in vielen Bereichen der Physik benutzt und liefert bei linearen Bedingungen und hinreichender Filterung gute Ergebnisse.
In den letzten Jahren werden in der Empfängertechnik nicht nur Hilfsfunktionen wie Bedienung oder LO-Frequenzerzeugung digitalisiert, sondern zunehmend größere Teile der Signalverarbeitung. Diese Entwicklung führte zum Bereich des Software Defined Radio (SDR).
Dreidimensional dargestellte Strahlungscharakteristik einer Schlitzantenne (Ergebnis einer Computersimulation)
Ein Antennendiagramm ist die grafische Darstellung der Strahlungscharakteristik einer Antenne (Intensität, Feldstärke, Polarisation, Phase, Laufzeitunterschiede) in einem räumlichen Koordinatensystem. Antennendiagramme werden messtechnisch aufgenommen oder durch Simulationsprogramme am Computer generiert, um die Richtwirkung einer Antenne grafisch darzustellen und so deren Leistungsfähigkeit einzuschätzen. Sie können als Oberfläche in dreidimensionalen Kugelkoordinaten oder für einen flächenhaften Schnitt als Liniendiagramm in kartesischen oder Polarkoordinaten dargestellt werden. Ein Antennendiagramm, welches die Richtcharakteristik einer Antenne darstellt, wird auch Richtdiagramm genannt. Es stellt die relative Intensität der Energieabstrahlung oder die elektrische oder magnetische Feldstärke im Fernfeld in Abhängigkeit von der Richtung zur Antenne dar.
Reales horizontales Antennendiagramm einer Parabolantenne in Polarkoordinaten, Ergebnis einer Messreihe
Antennendiagramm einer Parabolantenne mit einem Cosecans²-Diagramm in einem kartesischen Koordinatensystem
Während eine Rundstrahlantenne gleichmäßig in alle Richtungen einer Ebene strahlt, bevorzugt eine Richtantenne eine Richtung und erzielt daher in dieser bei geringerer Sendeleistung eine größere Reichweite. Das Antennendiagramm stellt die messtechnisch oder rechnerisch ermittelte Bevorzugung grafisch dar. Aufgrund der Reziprozität – die gleiche Sende- und Empfangseigenschaften der Antenne gewährleistet – zeigt das Diagramm sowohl die richtungsabhängige Sendeleistung als auch die Empfangsempfindlichkeit einer Antenne an. Die meistens durch ein Messprogramm gezeichnete Kurve zeigt also bei einer Sendeantenne maßstabsgerecht die Orte mit gleicher Leistungsdichte rings um die Sendeantenne herum an. Bei Empfangsantennen bedeutet die gleiche Kurve die gemessene Empfindlichkeit für ein konstantes Hochfrequenzfeld. Ein kleiner Messsender wird also in konstanter Entfernung um die Empfangsantenne herum bewegt und die Leistung, die von der Antenne empfangen wird, wird als Wert in das Diagramm eingetragen.
Historischer Detektorempfänger der Firma Heliogen
Detektorempfänger (auch Detektorradio) waren in den Anfangstagen des Rundfunks die einfachsten Geräte zum Empfang von Hörfunksendungen, die zum Beispiel über Kurz-, Mittel- oder Langwelle amplitudenmoduliert ausgestrahlt wurden.[1] Auch kurz nach dem Zweiten Weltkrieg waren solche einfachen Geräte angesichts der schlechten Wirtschaftslage wieder stärker verbreitet. Sogar die Firma Siemens baute festabgestimmte Detektorempfänger, wie den sogenannten „Berlin-Stecker“ zum Empfang eines starken lokalen Radiosenders.
Detektorempfänger bestehen aus nur wenigen Bauteilen und konnten ohne eigene Stromquelle arbeiten, weil der gesamte Strom, der dem angeschlossenen Kopfhörer zugeleitet wird, aus der Energie der vom Sender empfangenen elektromagnetischen Wellen stammt.
Die einfache Technik der Detektorempfänger ist noch immer ein beliebtes Objekt für Bastler oder für Ausbildungszwecke. Noch in den 1970er-Jahren war dieses „Radiobasteln“ die Hightech-Beschäftigung vieler Jugendlicher, vergleichbar mit der Freizeitbeschäftigung der heutigen sogenannten „Computer-Nerds”.
Gleichrichter werden in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Sie bilden, neben Wechselrichtern und Umrichtern eine Untergruppe der Stromrichter. Um Wechselanteile zu bedämpfen, wird eine gleichgerichtete Spannung üblicherweise geglättet.
Eine Gleichrichtung dient zum Beispiel
zur Versorgung gleichstrombetriebener elektrischer Verbraucher aus dem Wechselstromnetz;
zur Verbindung weit entfernter Stromnetze oder der Kopplung nicht synchroner Stromnetze über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung;
zu Messzwecken oder
für Anwendungen in der Nachrichtentechnik, zum Beispiel zur Hüllkurvendemodulation.
Die Gleichrichtung erfolgt meist ungesteuert durch Halbleiterdioden bei einem Wirkungsgrad bis zu 95 %. Aktive elektronische Bauteile, wie Thyristoren, erlauben durch Phasenanschnittsteuerung eine gesteuerte Gleichrichtung. Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden bei Synchrongleichrichtern verwendet – insbesondere bei der Gleichrichtung kleiner Spannungen und großer Ströme – und gestatten aufgrund der geringeren Durchlassspannung eine höhere Effizienz, als mit Halbleiterdioden möglich wäre.
Keramikvielschicht-Chipkondensatoren (SMD) nach Größe gruppiert zwischen zwei Keramik-Scheibenkondensatoren (THT)
Ein Keramikkondensator, umgangssprachlich auch Kerko genannt, ist ein elektrischer Kondensator mit einem keramischen Dielektrikum, dessen Inhaltsstoffe durch entsprechende Zusammensetzung zu Kondensatoren mit vorher bestimmbaren elektrischen Eigenschaften führen.
Die verwendeten Keramikarten lassen sich grob in zwei Arten unterscheiden:
Paraelektrische Materialien mit feldstärkeunabhängiger und kleinerer Permittivität und geringer spezifischer Kapazität mit geringem Verlustfaktor und einer definierten, geringen Temperaturabhängigkeit der Kapazität (Klasse-1-Kondensatoren) für frequenz- und zeitbestimmende Anwendungen sowie in Hochfrequenz-Schwingkreisen und -filtern.
Ferroelektrische Materialien mit feldstärkeabhängiger, größerer Permittivität und hoher Kapazität pro Volumen zum Sieben und Abblocken von Störimpulsen oder -frequenzen in Stromversorgungen (Klasse-2-Kondensatoren).
Keramikkondensatoren werden überwiegend mit Kapazitäten von 1 pF bis 100 µF hergestellt. In der Bauform des Keramikvielschicht-Chipkondensators (englisch multi layer ceramic capacitor, MLCC) sind sie mit einer jährlich produzierten Menge von 1 Billion (1012) Stück[1] die am häufigsten eingesetzten diskreten Kondensatoren in der Elektronik. Darüber hinaus werden Keramikkondensatoren in anderen Bauformen hergestellt, bei denen das Dielektrikum die Form eines Rohres, einer Scheibe oder eines Topfes hat. Sie werden als Entstör-, Durchführungs- oder als Leistungskondensatoren verwendet.
Gebecherte und tauchlackierte Kunststoff-Folienkondensatoren
Kunststoff-Folienkondensatoren, auch Folienkondensatoren oder kurz Folkos genannt, sind elektrische Kondensatoren mit isolierenden Kunststofffolien als Dielektrikum. Die Kunststoffe werden dafür in speziellen Verfahren zu extrem dünnen Folien gezogen, mit den Elektroden versehen und dann als Wickel gewickelt oder aus Einzellagen geschichtet zu einem Kondensator zusammengefügt. Sie gehören nach den Keramikkondensatoren und Elektrolytkondensatoren zu den am häufigsten eingesetzten Kondensatorbauarten und werden in vielen Bereichen der Elektronik und Elektrotechnik genutzt.
Abstrahlung einer oberflächennahen Bodenwelle und einer an der Ionosphäre reflektierten Raumwelle (mit Multi-Hop)
Als Kurzwellen (Abk. KW, engl. SW für short wave oder HF für high frequency), manchmal auch Dekameterwellen, bezeichnet man Radiowellen, die in einem höheren Frequenzbereich als die Lang- und Mittelwellen liegen. Aufgrund ihrer kürzeren Wellenlängen erhielten sie den Namen Kurzwellen bzw. nach der Wellenlänge Dekameterwellen.
„Shure Brothers“-Mikrofon, Modell 55s von 1951
Ein Mikrofon oder Mikrophon ist ein Schallwandler, der Luftschall als Schallwechseldruckschwingungen in entsprechende elektrische Spannungsänderungen als Mikrofonsignal umwandelt. Dieses unterscheidet Mikrofone von Tonabnehmern, die Festkörperschwingungen umsetzen. Unterwasser-Mikrofone werden als Hydrofone bezeichnet.
„Shure Brothers“-Mikrofon, Modell 55s von 1951
Dynamische Gesangsmikrofone Shure SM58 und Beta 58A
Älteres Mikrofon der Firma Grundig
In der gängigen Bauform folgt eine dünne, elastisch gelagerte Membran den Druckschwankungen des Schalls. Sie bildet durch ihre Bewegung die zeitliche Verteilung des Wechseldrucks nach. Ein Wandler, der mechanisch oder elektrisch mit der Membran gekoppelt ist, generiert daraus eine der Membranbewegung entsprechende Tonfrequenz-Wechselspannung oder eine entsprechende pulsierende Gleichspannung.
Schaltsymbol eines Operationsverstärkers
Ein Operationsverstärker (Abk. OP, OPV, OpVer, OV, OpAmp, OA, OPA) ist ein gleichspannungsgekoppelter elektronischer Verstärker mit einer sehr hohen (idealerweise unendlichen) Verstärkung. Das Design von Operationsverstärkern ist darauf ausgerichtet, dass deren eigentliche Funktion weniger durch den Operationsverstärker selbst als viel mehr durch die äußere Beschaltung festgelegt wird. Der Name weist auf die frühere Verwendung in analogen Computern hin und geht auf den mathematischen Begriff des Operators bzw. die Rechen-Operation zurück.
Reiner Quarz (Bergkristall)
Quarz, auch Tiefquarz oder α-Quarz genannt, ist ein Mineral mit der chemischen Zusammensetzung SiO2 und trigonaler Symmetrie. Er ist die auf der Erdoberfläche stabile Form (Modifikation) des Siliciumdioxids und nach den Feldspaten das zweithäufigste Mineral der Erdkruste. Bei einer Temperatur von über 573 °C (unter einem Druck von 1 bar) geht Tiefquarz durch Änderung der Kristallstruktur in Hochquarz über.
Mit einer Mohshärte von 7 gehört Quarz zu den harten Mineralen und dient als Bezugsgröße auf der bis 10 (Diamant) reichenden Skala nach Friedrich Mohs. Er bildet oft gut entwickelte Kristalle von großer Formen- und Farbenvielfalt (siehe Modifikationen und Varietäten), deren Kristallflächen Glasglanz aufweisen. Quarz besitzt keine Spaltbarkeit, bricht muschelig wie Glas und zeigt auf den Bruchflächen einen fettigen Glanz.
In der Industrie ist Quarz eines der wichtigsten Minerale und hat gleichermaßen als Baustoff wie als Rohstoff für die Keramik-, Glas- und Zementindustrie weltweite Bedeutung. Quarzkies und gebrochener Quarz sind Rohstoff zur Gewinnung von Silicium.
Darüber hinaus werden Quarz und seine farbigen Varietäten seit alters her als Schmuckstein geschätzt (siehe Verwendung).
Quarzkristalle werden auch künstlich hergestellt: Daraus geschnittene Schwingquarze dienen als Taktgeber in elektronischen Schaltungen und Quarzuhren.
Gelegentlich wird Quarz mit dem Calcit verwechselt, kann jedoch durch seine größere Härte, die niedrigere Doppelbrechung und die Reaktion des Calcits mit verdünnter Salzsäure leicht von diesem unterschieden werden.
Sonnenflecken im Vergleich zur Größe der Erde. Die größte Fleckengruppe rechts gehört zum Typ F.
Sonnenflecken sind dunkle Stellen auf der sichtbaren Sonnenoberfläche (Photosphäre), die kühler sind und daher weniger sichtbares Licht abstrahlen als der Rest der Oberfläche. Ihre Zahl und Größe ist das einfachste Maß für die Sonnenaktivität. Die Häufigkeit der Sonnenflecken unterliegt einer Periodizität von durchschnittlich elf Jahren, was als Sonnenfleckenzyklus bezeichnet wird. Ursache der Flecken und der in ihrer Nähe auftretenden Ausbrüche sind Magnetfelder.
Transformator
Ein Transformator (von lateinisch transformare ‚umformen, umwandeln‘; auch Umspanner, kurz Trafo) ist ein Bauelement der Elektrotechnik. Er besteht meist aus zwei oder mehr Spulen (Wicklungen), die in der Regel aus Kupferdraht gewickelt sind und sich auf einem gemeinsamen Ferrit- oder Eisenkern befinden. Ein Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine zweite, Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann. Dabei entspricht das Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannung dem Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen. So wird zum Beispiel bei einem Windungsverhältnis von 20 zu 1 eine Eingangsspannung von 240 Volt in eine Ausgangsspannung von 12 Volt transformiert. Je nach Auslegung des Transformators kann die Ausgangsspannung somit kleiner, größer oder gleich der Eingangsspannung sein.
Transformatoren dienen vielfach zur Spannungswandlung in Energieversorgungsanlagen und in technischen Geräten, dabei insbesondere in Netzteilen zur Bereitstellung von Kleinspannungen in vielen Arten von elektrischen und elektronischen Geräten. Weiterhin werden sie bei der Signalübertragung und der Schutztrennung benötigt.
Eine Auswahl an diskreten Transistoren in verschiedenen Gehäuseformen
Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement zum Steuern meistens niedriger elektrischer Spannungen und Ströme. Er ist der weitaus wichtigste „aktive“ Bestandteil elektronischer Schaltungen, der beispielsweise in der Nachrichtentechnik, der Leistungselektronik und in Computersystemen eingesetzt wird. Besondere Bedeutung haben Transistoren – zumeist als Ein/Aus-Schalter – in integrierten Schaltkreisen, was die weit verbreitete Mikroelektronik ermöglicht.
Der Begriff „Transistor“ ist eine Kurzform des englischen transfer resistor, was in der Funktion einem durch eine angelegte elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom steuerbaren elektrischen Widerstand entspricht. Die Wirkungsweise ähnelt der einer entsprechenden Elektronenröhre, nämlich der Triode.
Der Begriff Weltraumwetter ist analog zu irdischen atmosphärischen Wetterphänomenen definiert und beschreibt Veränderungen des interplanetaren und interstellaren Mediums, die speziell im erdnahen Bereich der Magnetosphäre (bis 50.000 km Abstand zur Erde) wahrgenommen werden. Hauptsächliche Ursachen sind der Sonnenwind und die galaktische kosmische Strahlung der Milchstraße. Durch diese Einflüsse gelangen in unregelmäßigen Abständen verstärkt Materie, Teilchen- und Strahlungsströme in das Umfeld der Erde und beeinflussen damit die irdische Magnetosphäre, Ionosphäre und Erdatmosphäre.
Auf Grund der umfassenden Auswirkungen auf das irdische Leben stellt das Weltraumwetter heute ein wichtiges Forschungsgebiet dar. Ziel ist es, die zu Grunde liegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen, um derartige Ereignisse vorherzusagen oder zumindest rechtzeitig erkennen zu können, so dass geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden können.
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